EP0779449B1 - Planetengetriebe - Google Patents

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EP0779449B1
EP0779449B1 EP96118848A EP96118848A EP0779449B1 EP 0779449 B1 EP0779449 B1 EP 0779449B1 EP 96118848 A EP96118848 A EP 96118848A EP 96118848 A EP96118848 A EP 96118848A EP 0779449 B1 EP0779449 B1 EP 0779449B1
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axle
planetary
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planetary gear
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Maxon Motor GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H57/00—General details of gearing
    • F16H57/08—General details of gearing of gearings with members having orbital motion
    • F16H57/082—Planet carriers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H1/00—Toothed gearings for conveying rotary motion
    • F16H1/28—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion
    • F16H1/2809—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion with means for equalising the distribution of load on the planet-wheels
    • F16H1/2836—Toothed gearings for conveying rotary motion with gears having orbital motion with means for equalising the distribution of load on the planet-wheels by allowing limited movement of the planets relative to the planet carrier or by using free floating planets

Definitions

  • the invention relates to a planetary gear with a planet carrier rotatable about an axis of rotation, a sun gear, at least one planet gear and a ring gear, with one Front of the planet carrier at least one axle journal protrudes on which the planet gear with its axle opening is rotatably mounted.
  • Gearboxes where the Planet gear at least radially displaceable with respect to the Axis of rotation of the planet carrier is formed e.g. known from FR-A-2 661 963. Under “radial can be moved “over the normal dimension understood additional game, the one in the radial direction quasi floating storage of the planet gears.
  • the planet gear is both radial and tangential to the axis of rotation of the planet carrier slidably mounted, the tangential Slidability can advantageously be less than the radial slidability. In most applications, especially in Small planetary gears can be a tangential game between the journal and the planet gear.
  • the production of the axle journal is simplified because it is relative simple cross sections meet the requirements of the invention.
  • This clearance between the journal and the axle opening has furthermore the advantage that the planet gear also a Can perform angular displacement to the axis of the journal also a non-parallelism of the different axes of rotation balance.
  • an axle which is essentially a has an elliptical cross section. Due to the ellipse shape the contact surfaces between the journal and Optimize axis opening, while realizing the radial and less tangential displaceability.
  • the ratio is from radial to tangential displacement greater than 1 at greater as 2nd
  • the present invention has a particularly favorable effect a variant in which at least the journal of the Planet carrier are made of a sintered material.
  • Sintered materials are very susceptible to uneven loads are the present invention in this regard represents significant improvement.
  • Zirconium oxide can be used, which increases the lifespan again significantly increased.
  • Protection is also sought for a process for Manufacture of a planetary gear according to one of claims 1 to 6.
  • the method is characterized in that at least through the axle journal on the planet carrier for the planet gear a sintering process is made such that it is one of deviating from the cylindrical axis opening of the planet gear Cross section that has at least one radial displacement of the planet gear on the journal with respect to the axis of rotation of the planet carrier.
  • journal of the planet gear on Planet carrier with an essentially elliptical Cross section are produced, which is a favorable Relationship between radial and tangential displaceability can generate.
  • the powdered sintered material with a Plastic mixed and made into an injection molding machine Blank to be injected.
  • This process variant is suitable for the production of various forms from blanks Sintered materials.
  • the plastic is used in continuing Process largely removed from the blank.
  • At least the journal can be adjusted the sintering process are polished on its peripheral surface. This allows the best, especially with sintered materials Surfaces and a resulting lower Achieve wear.
  • Figure 1 is the final stage of a planetary gear shown that a sun gear 1, a coaxially arranged Ring gear 2, three planet gears 3 grouped around sun gear 1 and comprises a planet carrier 4 with output shaft 5.
  • the Sun gear 1 can both on a small electric motor also the outgoing shaft of an upstream Planetary gear stage. For this reason, the connection is of the sun gear 1 shown only schematically.
  • the Ring gear 2 also serves as the housing of the planetary gear and in its end region 6 is a bearing disc 7 for storage the output shaft 5 arranged.
  • the planet gears 3 are arranged evenly around the circumference and would come usually the sun gear 1 and the internal teeth of the Ring gear 2.
  • the planet carrier 4 comprises three corresponding to one Axle projecting vertically on the front side 8.
  • Die Axle pins 8 serve to receive and guide the planet gears 3 and are accordingly in an axis opening 9 of the planet gears 3 inserted.
  • the axis opening 9 of the planet gears 3 has a circular cross-section, whereas the cross-section the journal 8 is essentially elliptical.
  • the ellipse is aligned so that you are closest Cross-sectional area is arranged perpendicular to the axis of rotation 10.
  • the widest areas of the ellipse cross section touch the Axle opening 9 approximately at the pitch circle diameter (through the shape somewhat above).
  • Planetary gears are made of sintered materials and have correspondingly high strength. Especially with the exit stage explained here occur due to the relative low rotational speeds very high forces. At least for the journal 8 can improve Lifetime can be used as the sintered material zirconium oxide.
  • the planet carrier 4 and the journal 8 can also be formed in one piece.
  • the sintered parts are preferred by mixing the powdered sintered material with plastic, subsequent Injection molding of a blank on an injection molding machine and final sintering process.
  • the surfaces of the Axle journal 8 and axle openings 9, as well as the output shaft 5 can also be polished.
  • the tooth flanks of the Gears can be retrofitted in calibration and polishing processes be subjected.
  • axle journal 8 also a shape adapted to the curvature of the pitch circle can have, so that the contact points are essentially exact lie on the pitch circle.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Planetengetriebe mit einem um eine Drehachse drehbaren Planetenträger, einem Sonnenrad, mindestens einem Planetenrad und einem Hohlrad, wobei an einer Stirnseite des Planetenträgers mindestens ein Achszapfen hervorsteht, auf dem das Planetenrad mit seiner Achsöffnung drehbar gelagert ist.
Insbesondere bei kleinen Planetengetrieben, bei denen Sinterwerkstoffe zum Einsatz kommen, wurde festgestellt, daß ein gleichmäßiges Tragen der Zahnflanken des zwischen Hohlrad und Sonnenrad laufenden Planetenrades meist nicht erreicht wurde. Unter anderem führte dieser Umstand dazu, daß die Lebensdauer solcher Getriebe für viele Anwendungen unzureichend waren. Darüber hinaus war es für die Hersteller schwierig die Lebensdauer eines solchen Getriebes zu bestimmen, da Streuungen in der Größenordnung Faktor 10 bis 100 aufgetreten sind. Insbesondere in der Abgangsstufe der Planetengetriebe, in der die höchsten Kräfte bei kleinen Gleitgeschwindigkeiten auftreten, muß sichergestellt werden, daß alle Planetenräder gleichmäßig tragen. Durch eine Ungleichmäßigkeit können örtlich sehr hohe, weit über den zulässigen Bereich hinausgehende Kräfte auftreten, die aufgrund der hohen Untersetzung durch die Antriebsleistung nicht registriert werden können. Zusätzlich treten schwebende Geräusche auf, die periodisch mit der Drehzahl schwanken. Diese Umstände und die bei Kleinplanetengetrieben im Stand der Technik auftretenden großen Streuungen konnten die Fachwelt bisher nicht befriedigen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Planetengetriebe, insbesondere mit kleinen Abmessungen, bereitzustellen, das eine verbesserte Lebensdauer aufweist.
Getriebe, bei denen das Planetenrad zumindest radial verschieblich bezüglich der Drehachse des Planetenträgers ausgebildet ist, sind z.B. aus FR-A-2 661 963 bekannt. Unter "radial verschieblich" wird hier ein über das normale Maß hinausgehendes Spiel verstanden, das in radialer Richtung einer quasi schwimmenden Lagerung der Planetenräder bewirkt.
Der auf diese Art erreichte Toleranzausgleich bewirkt außerdem, daß zwischen den Achszapfen und den Achsöffnungen der Planetenräder keine Zwangsführungskräfte in radialer Richtung übertragen werden, die bei Ungenauigkeiten auftreten würden. Umfangreiche Dauerversuche haben in beeindruckender Weise gezeigt, daß sich die Lebensdauer solcher Getriebe erhöht. Des weiteren wurde ein gleichmäßiges Tragbild an den Zahnflanken festgestellt, was wohl die Ursache für die verbesserte Lebensdauer ist.
Erfindungsgemäß wird die radiale Verschieblichkeit dadurch erreicht werden, daß die Querschnittsform des Achszapfens am Planetenträger von der Querschnittsform der Achsöffnung des Planetenrades derart abweicht, daß das Planetenrad bezüglich des Achszapfens radial verschiebbar gelagert ist. Dadurch, daß jedes Planetenrad zwischen dem Hohlrad und dem Sonnenrad läuft weist dieses bereits eine Führungskomponente auf, weshalb vom Achszapfen hauptsächlich eine tangentiale Vorschubkraft aufzubringen ist. Die Veränderung des Querschnittes vom Achszapfen derart, daß sich das Planetenrad radial verschieben kann, führt in den meisten Anwendungsfällen nicht zu Problemen. Je mehr Planetenräder um das Sonnenrad gruppiert sind, um so besser eignet sich diese Maßnahme.
Das Planetenrad ist sowohl radial als auch tangential bezüglich der Drehachse des Planetenträger verschiebbar gelagert, wobei die tangentiale Verschiebbarkeit günstigerweise geringer als die radiale Verschiebbarkeit sein kann. In den meisten Anwendungsfällen, insbesondere bei Kleinplanetengetrieben, kann durchaus ein tangentiales Spiel zwischen Achszapfen und Planetenrad zugelassen werden. Dadurch vereinfacht sich die Fertigung des Achszapfens, da relativ einfache Querschnitte die Erfordernisse der Erfindung erfüllen. Dieses Spiel zwischen dem Achszapfen und der Achsöffnung hat darüber hinaus den Vorteil, daß das Planetenrad auch eine Winkelverlagerung zur Achse des Achszapfens ausführen kann, um auch eine Nichtparallelität der verschiedenen Drehachsen auszugleichen. Insbesondere eignet sich gemäß einer Ausführungsform ein Achszapfen, der im wesentlichen einen elliptischen Querschnitt aufweist. Durch die Ellipsenform lassen sich die Berührungsflächen zwischen Achszapfen und Achsöffnung optimieren, bei gleichzeitiger Verwirklichung der radialen und geringeren tangentialen Verschieblichkeit.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegt das Verhältnis von radialer zur tangentialen Verschieblichkeit größer 1 bei größer als 2.
Besonders günstig wirkt sich die vorliegende Erfindung bei einer Variante aus, bei der zumindest die Achszapfen des Planetenträgers aus einem Sinterwerkstoff hergestellt sind. Da Sinterwerkstoffe sehr anfällig für ungleichmäßige Belastungen sind, stellt die vorliegende Erfindung diesbezüglich eine erhebliche Verbesserung dar.
Insbesondere kann gemäß einer Variante als Sinterwerkstoff Zirkoniumoxid verwendet werden, wodurch sich die Lebensdauer nochmals beträchtlich erhöhen läßt.
Des weiteren wird Schutz begehrt für ein Verfahren zum Herstellen eines Planetengetriebes nach einem der Ansprüche 1 bis 6. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß zumindest der Achszapfen am Planetenträger für das Planetenrad durch einen Sintervorgang derart hergestellt ist, daß er einen von der zylindrischen Achsöffnung des Planetenrades abweichenden Querschnitt aufweist, der zumindest ein radiales Verschieben des Planetenrades auf dem Achszapfen bezüglich der Drehachse des Planetenträgers ermöglicht.
Da sich durch einen Sintervorgang alle möglichen Querschnittsformen problemlos herstellen lassen, eignet sich das vorliegende Verfahren bestens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Planetengetriebes.
Des weiteren kann der Achszapfen des Planetenrades am Planetenträger mit einem im wesentlichen elliptischen Querschnitt hergestellt werden, wodurch sich ein günstiges Verhältnis zwischen radialer und tangentialer Verschieblichkeit erzeugen läßt.
Günstigerweise kann der pulverförmige Sinterwerkstoff mit einem Kunststoff gemischt und auf einer Spritzgußmaschine zu einem Rohling gespritzt werden. Diese Verfahrensvariante eignet sich zur Herstellung vielfältigster Formen von Rohlingen aus Sinterwerkstoffen. Der Kunststoff wird in weiterführenden Verfahren zum Großteil wieder aus dem Rohling entfernt.
In einer Verfahrensvariante kann zumindest der Achszapfen nach dem Sintervorgang an seiner Umfangsfläche poliert werden. Hierdurch lassen sich insbesondere bei Sintermaterialien beste Oberflächen und einen dadurch resultierenden geringeren Verschleiß erzielen.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1
eine Abgangsstufe eines Planetengetriebes in schematischer Schnittdarstellung,
Fig. 2
einen erfindungsgemäßen Planetenträger in perspektivischer Darstellung,
Fig. 3
einen Ausschnitt des Planetenträgers mit Planetenrad in vergrößerter Vorderansicht und
Fig. 4
eine schematische Illustrationszeichnung zur Erläuterung des Verschiebevorgangs eines Achszapfens in einer Achsöffnung des Planetenrades.
In Figur 1 ist die Abgangsstufe eines Planetengetriebes dargestellt, das ein Sonnenrad 1, ein koaxial dazu angeordnetes Hohlrad 2, drei um das Sonnenrad 1 gruppierte Planetenräder 3 und einen Planetenträger 4 mit Abgangswelle 5 umfaßt. Das Sonnenrad 1 kann sowohl an einem elektrischen Kleinmotor als auch die Abgangswelle einer vorgeschalteten Planetengetriebestufe sein. Aus diesem Grunde ist der Anschluß des Sonnenrades 1 lediglich schematisch dargestellt. Das Hohlrad 2 dient gleichzeitig als Gehäuse des Planetengetriebes und in dessen Endbereich 6 ist eine Lagerscheibe 7 zum Lagern der Abgangswelle 5 angeordnet. Die Planetenräder 3 sind gleichmäßig am Umfang verteilt angeordnet und kämen üblicherweise das Sonnenrad 1 und die Innenverzahnung des Hohlrades 2.
Wie insbesondere anhand der Figuren 2 bis 4 zu erkennen ist, umfaßt der Planetenträger 4 entsprechend drei an einer Stirnseite senkrecht hervorstehende Achszapfen 8. Die Achszapfen 8 dienen zur Aufnahme und Führung der Planetenräder 3 und sind entsprechend in eine Achsöffnung 9 der Planetenräder 3 eingeschoben. Die Achsöffnung 9 der Planetenräder 3 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf, wohingegen der Querschnitt der Achszapfen 8 im wesentlichen elliptisch ausgebildet ist. Die Ellipse ist so ausgerichtet, daß ihr engster Querschnittsbereich senkrecht zur Drehachse 10 angeordnet ist. Die breitesten Bereiche des Ellipsenquerschnittes berühren die Achsöffnung 9 ungefähr am Teilkreisdurchmesser (durch die Form bedingt etwas oberhalb).
Sämtliche in der Zeichnung dargestellten Bauelemente des Planetengetriebes sind aus Sinterwerkstoffen hergestellt und weisen entsprechend hohe Festigkeit auf. Insbesondere bei der hier erläuterten Abgangsstufe treten aufgrund der relativ geringen Umlaufgeschwindigkeiten sehr hohe Kräfte auf. Zumindest für die Achszapfen 8 kann zur Verbesserung der Lebensdauer als Sinterwerkstoff Zirkoniumoxid verwendet werden. Der Planetenträger 4 und die Achszapfen 8 können aber auch einteilig ausgebildet sein.
Bevorzugt werden die Sinterteile durch Mischen des pulverförmigen Sinterwerkstoffes mit Kunststoff, anschließendem Spritzen eines Rohlings auf einer Spritzgußmaschine und abschließendem Sintervorgang hergestellt. Die Oberflächen der Achszapfen 8 und Achsöffnungen 9, sowie der Abgangswelle 5 können zusätzlich noch poliert werden. Auch die Zahnflanken der Zahnräder können nachträglich in Kalibrier- und Poliervorgängen unterzogen werden.
Im folgenden wird die Wirkungs- und Funktionsweise des obigen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Da der elliptische Querschnitt des Achszapfens 8 eine Länge L aufweist, die kleiner ist als der Querschnitt der Achsöffnung 9, entsteht sowohl ein tangentiales Spiel A, als auch ein radiales Spiel B. In der Figur 4 sind diese Größenunterschiede übertrieben dargestellt. Z.B. kann bei einem Durchmesser der Achsöffnung 9 von 3,0 mm das Spiel A ca. 0,01 mm und Spiel B ca. 0,1 mm betragen. Daraus ergibt sich ein Verhältnis von radialer zur tangentialen Verschiebung von 10.
Durch diese Ausführung ist gewährleistet, daß das Tangentialspiel wesentlich geringer ist als das Radialspiel. Durch die maßliche Überbestimmung in der Abgangsstufe des Planetengetriebes kann es nie ganz sicher gestellt werden, daß die Drehachse 10 koaxial zur Achse des Hohlrades 2 und des Sonnenrades 1 dreht. Des weiteren kann nicht absolut sichergestellt werden, daß sich alle drei Achszapfen 8 auf konzentrischen Teilkreisen um die Drehachse 10 bewegen.
Damit bei derartigen Getrieben, bei denen insbesondere Sinterteile, wie z.B. die Achszapfen 8 und Planetenräder 3, verwendet werden eine im wesentlichen gleichmäßige Flankenpressung der ineinander kämmenden Zähne erreicht wird, sind die Planetenräder 3 aufgrund der Querschnittsverhältnisse von Achszapfen 8 und Achsöffnung 9 radial verschiebbar. Dadurch können sich diese zu jedem Zeitpunkt entsprechend selbständig zwischen dem Sonnenrad 1 und dem Hohlrad 2 zentrieren, ohne daß radiale Zwangskräfte von den Achszapfen 8 auf die Planetenräder 3 übertragen werden. Das radiale Spiel B muß im Prinzip lediglich so groß gewählt werden, daß die durch die Toleranzen zulässigen Maßabweichungen ausgeglichen werden können.
Dauerversuche bei dieser Anordnung haben gezeigt, daß sich die Lebensdauer aufgrund einer gleichmäßigeren Flankenpressung (wie anhand der Berührungsstellen begutachtet werden konnte) erheblich steigern ließ. Insbesondere beim Einsatz von Sinterteilen und den kleinen Abmessungen bei dem oben beschriebenen Planetengetriebe, können nunmehr bessere Aussagen über die Lebensdauer getroffen werden.
Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß der Achszapfen 8 auch eine an die Krümmung des Teilkreises angepaßte Form aufweisen kann, so daß die Berührpunkte im wesentlichen exakt auf dem Teilkreis liegen.

Claims (10)

  1. Planetengetriebe mit einem um eine Drehachse (10) drehbaren Planetenträger (4), einem Sonnenrad (1), mindestens einem Planetenrad (3) und einem Hohlrad (2), wobei an einer Stirnseite des Planetenträgers (4) mindestens ein Achszapfen (8) hervorsteht, auf dem das Planetenrad (3) mit seiner Achsöffnung (9) drehbar gelagert ist und das Planetenrad (3) zumindest radial verschieblich bezüglich der Drehachse (10) des Planetenträgers (4) ausgebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Querschnittsform des Achszapfens (8) am Planetenträger (4) von der Querschnittsform der Achsöffnung (9) des Planetenrades derart abweicht, daß das Planetenrad (3) bezüglich des Achszapfens (8) radial verschiebbar gelagert ist.
  2. Planetengetriebe nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Planetenrad (3) sowohl radial als auch tangential bezüglich der Drehachse (10) des Planetenträgers (4) verschiebbar gelagert ist, wobei die tangentiale Verschiebbarkeit geringer ist als die radiale Verschiebbarkeit.
  3. Planetengetriebe nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Achszapfen (8) am Planetenträger (4) einen im wesentlichen elliptischen Querschnitt aufweist.
  4. Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Verhältnis von radialer zur tangentialer Verschieblichkeit im Bereich größer 2 ist.
  5. Planetengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zumindest der Achszapfen (8) des Planetenträgers (4) aus einem Sinterwerkstoff hergestellt ist.
  6. Planetengetriebe nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß als Sinterwerkstoff Zirkoniumoxid verwendet worden ist.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Planetengetriebes nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zumindest der Achszapfen (8) am Planetenträger (4) durch einen Sintervorgang derart hergestellt ist, daß er einen von der zylindrischen Achsöffnung (9) des Planetenrades (3) abweichenden Querschnitt aufweist, der zumindest ein radiales Verschieben der Planetenräder (3) auf dem Achszapfen (8) bezüglich der Drehachsen (10) des Planetenträgers (4) ermöglicht.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Achszapfen (8) des Planetenrades (3) am Planetenträger (4) mit einem im wesentlichen elliptischen Querschnitt hergestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der pulverförmige Sinterwerkstoff mit einem Kunststoff gemischt und auf einer Spritzgußmaschine zu einem Rohling gespritzt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zumindest der Achszapfen (8) nach dem Sintervorgang an seiner Umfangsfläche poliert wird.
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